松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法技术

本发明专利技术涉及地面煤层气开发的技术领域，尤其涉及一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法。本发明专利技术采用分层加载真三轴水力压裂模拟装置进行水平井穿层压裂模拟实验，实验结束后，综合实验数据及裂缝形态资料，对定向穿层压裂规律进行分析。本发明专利技术方法解决了实验条件下无法获取碎软煤层岩石力学参数、碎软煤层的“顶板

【技术实现步骤摘要】
松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法


[0001]本专利技术涉及地面煤层气开发的
，尤其涉及一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法。

技术介绍

[0002]目前关于松软煤层定向穿层压裂物理模拟实验研究还是一片空白，实验技术难题主要体现在以下三方面：(1)由于松软煤层的煤体结构破碎，无法获取大块煤心，也无法通过取心测试获取松软煤层的岩石力学参数，只能通过开展相似实验来研究定向穿层压裂裂缝扩展机理，造成松软煤层相似模型加工的实验参数确定困难；(2)目前的水力压裂物理模拟实验无法模拟水平井定向射孔条件，定向射孔水平井加工困难，压裂过程中要么存在压不开地层，要么存在水平井固井不严实、容易压窜水平井，定向穿层压裂物理模拟成功率低；(3)目前的水力压裂实验装置水平方向只能进行整体加载，尤其对于煤层顶板水平井穿层压裂物理模拟实验，不能进行顶板和煤层分层加载地应力，影响穿层压裂实验效果，难以准确全面查明顶板水平井的穿层压裂规律。
[0003]综上所述，目前松软煤层顶板泥岩水平井穿层压裂实验参数确定与模型制作困难、定向射孔水平井井筒加工和地应力分层加载困难，实验成功率和准确性低，实验结果难以真实反映实际地层的压裂情况，导致穿层压裂的实验结果理论指导性不强。
[0004]为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事水力压裂理论研究的经验和成果，研究设计出一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，以克服上述缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，提高穿层压裂相似物理模拟结果的真实性与可靠性，实现煤层气水平井压裂增产理论研究的实验新方法。
[0006]为解决上述问题，本专利技术公开了一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤：
[0007]步骤1：确定实验参数，结合三轴实验测试和测井方法确定顶板和松软煤层的力学参数与三向应力值；
[0008]步骤2：优选相似材料，优选出与实际顶板和松软煤层的力学参数吻合的相似材料配方；
[0009]步骤3：加工物理模型，制备出基于力学强度的“顶板
‑
煤层”胶结的相似物理模型；
[0010]步骤4：加工水平井完井管柱，制作带有定向射孔功能的射孔完井套管一体化模拟管柱；
[0011]步骤5：加工水平井压裂井筒，在顶板岩层合适位置钻水平井眼，并加工定向射孔压裂水平井井筒；
[0012]步骤6：定向穿层压裂模拟实验，采用分层加载真三轴水力压裂模拟装置进行水平井穿层压裂模拟实验；
[0013]步骤7：定向穿层压裂模拟结果分析，实验结束后，综合实验数据及裂缝形态资料，对定向穿层压裂规律进行分析；
[0014]其中，步骤1中所述的实验参数确定，顶板岩层参数通过实际顶板取心岩样三轴应力
‑
应变实验，获取煤层顶板岩石的泊松比、杨氏模量、抗压强度参数。实验测试需选取煤层顶板纵向上至少3个取心点，3个点距离煤层的距离分别为1.0m、2.0m和3.0m，每个点不少于3块25mm
×
50mm岩心样品测试数据。
[0015]其中，步骤1中所述的实验参数确定，通过交叉偶极子声波测井获取顶板岩层和松软煤层的横波时差和纵波时差，结合密度测井曲线，计算顶板岩层和松软煤层的动态泊松比、杨氏模量、抗压强度等岩石物理参数，顶板岩层的最大水平主应力、最小水平主应力值，松软煤层的最大水平主应力、最小水平主应力值，以及煤
‑
岩界面位置处的垂向应力值。
[0016]泊松比：
[0017]剪切模量：
[0018]杨氏模量：
[0019]抗压强度：σ＝5
×
10
‑4*E*(9+7V
cl
)
[0020]垂向主应力采用公式：
[0021]水平主应力采用组合弹簧经验模型：
[0022][0023][0024]其中，步骤1中所述的实验参数确定，结合顶板岩层实验获得的静态力学参数和声波测井计算的动态力学参数，拟合出顶板岩层的动态力学参数和静态力学参数的函数关系，依据该函数关系计算出实际松软煤层的静态弹性模量、泊松比、抗压强度参数。
[0025]静态杨氏模量：E
s
＝a+b*E
d
[0026]静态泊松比：V
s
＝c+d*V
d
[0027]静态抗压强度：σ
s
＝e+f*E
s
[0028]其中，步骤2中所述的相似材料优选，优选与实际地层静态弹性模量、泊松比和抗压强度值相匹配的相似材料配方，优选标准为三项岩石力学参数值误差均＜10％。
[0029]其中，步骤3中所述的“顶板
‑
煤层”胶结的物理模型，采用顶板居下、煤层居上的自然分层浇筑方法，确保煤
‑
岩界面与试件表面平行，设定的顶板岩层厚度20cm、煤层的厚度10cm，加工成正方体尺寸为300mm
×
300mm
×
300mm的“顶板
‑
煤层”胶结物理模型，模型试件养护温度为20
°
、养护时间要求大于21天。采用顶板居下、煤层居上的分层浇筑方法，顶板配
方密度大、煤层配方密度小，采用顶板居下、煤层居上的自然分层浇筑方法的目的是为了保证模型的煤岩界面稳定。待模型加工凝固结束后翻转即可得到的顶板
‑
煤层”胶结物理模型。
[0030]其中，步骤4中所述的定向射孔水平井完井管柱加工，定向射孔水平井完井管柱依次包括井底、井身、定向射孔孔眼、环形挡板和井口装置，井底、定向射孔孔眼、环形挡板和井口装置与井身连为一体，井底为密封结构；井身的外径为10mm、内径为8.8mm；定向射孔孔眼外径为5mm、内径为4mm，孔眼长度为5mm，布置3个定向射孔孔眼紧密排列为1组，射孔孔眼与水平井井底的距离为10mm；环形挡板的外径为15mm、环形挡板与射孔段中心的距离为80
‑
100mm。
[0031]其中，步骤5中所述的压裂水平井井筒加工，水平井井筒位于顶板岩层内、与煤层的距离为2
‑
10cm处，采用直径为18mm钻头钻出深度为160mm的水平井井筒，水平井井筒与煤岩界面平行。
[0032]其中，步骤5中所述的压裂水平井井筒加工，将定向射孔水平井完井管柱置于水平井筒内，定向射孔孔眼垂直于煤岩界面并指向煤层方向、且与水平井筒底部紧密接触，定向射孔孔眼的中心位置距离模型侧边界的距离均为150mm。
[0033]其中，步骤5中所述的压裂水平井井筒加工，按照由内往外分段封固的方法，采用长针注射器伸入井筒内对管线与钻孔之间的环空注入高强度树脂胶，模拟实际条件下水平井的固井状态。
[0034]其中，步骤6中所述的分层加载真三轴水力压裂模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定实验参数，结合三轴实验测试和测井方法确定顶板和松软煤层的力学参数与三向应力值；步骤2：选出与步骤1中所述力学参数相吻合的材料配方；步骤3：采用顶板居下、煤层居上的分层浇筑方法以制备出基于力学强度的顶板
‑
煤层胶结的相似物理模型；步骤4：在所述相似物理模型中加工水平井完井管柱，制作带有定向射孔功能的射孔完井套管一体化模拟管柱；步骤5：加工水平井压裂井筒，在所述相似物理模型距离煤层顶界距离2
‑
10cm处钻水平井眼，并加工定向射孔压裂水平井井筒；步骤6：基于所述定向射孔压裂水平井井筒和步骤1中所述三向应力值，开展定向穿层压裂模拟实验；步骤7：综合实验数据及裂缝形态资料，对定向穿层压裂规律进行分析。2.根据权利要求1所述的一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于，步骤1中所述的实验参数确定中，通过实际顶板取心岩样三轴应力
‑
应变实验获取煤层顶板岩石的泊松比、杨氏模量、抗压强度参数。3.根据权利要求1所述的一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于，所述步骤1中通过交叉偶极子声波测井获取顶板岩层和松软煤层的横波时差和纵波时差，结合密度测井曲线，计算顶板岩层和松软煤层的动态泊松比、杨氏模量、抗压强度。4.根据权利要求1所述的一种松软煤层顶板岩层水平井定向穿层压裂模拟试验方法，其特征在于，所述步骤1中的实验...

【专利技术属性】
技术研发人员：许耀波，张培河，杜志强，巩泽文，乔康，朱文侠，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：